嵌入式遠(yuǎn)程視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(基于S3C2410

1、嵌入式遠(yuǎn)程視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(基于S3C2410)發(fā) 布 時(shí) 間 : 2008-11-19 來 源 : 中電網(wǎng) 作 者 : 張永強(qiáng),趙永勇,李崇德 瀏 覽 : 984 多媒體通信技術(shù)的發(fā)展為信息的獲取和傳輸提供了豐富的手段，視頻采集是其中不可缺少的重要組成部分，該系統(tǒng)基于S3C2410的ARM9芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，采用USB攝像頭捕捉視頻，經(jīng)MPEG-4算法壓縮編碼，系統(tǒng)直接與網(wǎng)絡(luò)相連，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠(yuǎn)程視頻影像。1 硬件系統(tǒng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)選用基于ARM9架構(gòu)嵌入式芯片S3C2410，穩(wěn)定工作在202MHz主頻，板載64MB SDRAM 64M

2、B FLASH，主板資源包括：主USB口、從USB口、10M/100M以太網(wǎng)口，觸摸屏、彩色LCD、鍵盤、8個(gè)用戶自定義LED數(shù)碼管， A/D，RTC電路,2個(gè)串口、1個(gè)JTAG通用接口，音頻模塊，支持MPEG4，MP3編解碼，3個(gè)168PIN的擴(kuò)展插座，32位的數(shù)據(jù)總線，保留充分?jǐn)U展空間。其中標(biāo)配模塊包括：IC卡+PS2模塊、IDE硬盤+CF卡模塊、PCMCIA+SD/MMC模塊。另外可選配模塊有：GPS模塊，GPRS模塊，F(xiàn)PGA模塊，CAN+AD+DA模塊、紅外模塊、藍(lán)牙模塊、攝像頭模塊。2 軟件系統(tǒng)2.1 內(nèi)核配置與USB攝像頭驅(qū)動(dòng)假定已經(jīng)搭建好嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境，下面第一步工

3、作就是USB攝像頭的安裝與驅(qū)動(dòng)。首先檢查L(zhǎng)inux Kernel中是否已經(jīng)添加了USB模塊的支持，并且加入Video4Linux支持。Multimedia devicesVideo For LinuxVideo For Linux*V4L information in proc filesystem在主菜單的USB Support下還有各種攝像頭的驅(qū)動(dòng)，選中將要使用的攝像頭芯片類型。USB IBM (Xirlink)C-it Camera supportUSB OV511 Camera supportUSB Philips CamerasUSB SE401 Camera supportUSB

4、STV680(Pencam)Camera supportUSB 3com HomeConnect(akavicam)support在USB攝像頭選購時(shí)，優(yōu)先考慮Linux內(nèi)核公開支持的攝像頭芯片，不然要額外編寫相應(yīng)的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，然后進(jìn)行編譯、安裝。在此選用網(wǎng)眼公司的V3000產(chǎn)品，他采用了OV511的芯片。確定USB攝像頭被正常驅(qū)動(dòng)后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函數(shù)集來編寫視頻采集程序。2.2 基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊在Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種特殊的文件，稱為設(shè)備文件。系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則是內(nèi)核和外設(shè)之間的接口。他

5、完成設(shè)備的初始化和釋放、對(duì)設(shè)備文件的各種操作和中斷處理等功能，為應(yīng)用程序屏蔽了外設(shè)硬件的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像普通文件一樣對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)Video4Linux為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用即可操作各種不同的視頻捕獲設(shè)備。Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊(cè)視頻設(shè)備文件，應(yīng)用程序通過操作視頻設(shè)備文件實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻設(shè)備的訪問。Linux下與Video4Linux相關(guān)設(shè)備及用途如表1所示。這里主要針對(duì)設(shè)備文件/dev/video進(jìn)行視頻捕捉方面的程序設(shè)計(jì)。Linux下視頻采集流程如圖2所示。其中用到的主要函數(shù)有：Camera_op

6、en()：用來開啟視頻設(shè)備文件，使用前需要首先聲明一個(gè)video_device類型的設(shè)備文件。Camera_get_capability()：通過調(diào)用ioctl()函數(shù)取得設(shè)備文件的相關(guān)信息，并存放到video_capability結(jié)構(gòu)里。Camera_get_picture()：通過調(diào)用ioctl()函數(shù)取得圖像的相關(guān)信息，并且存放到video_picture結(jié)構(gòu)里。Camera_close()：用來關(guān)閉設(shè)備文件。Camera_grab_image()：用來抓取圖像，采用mmap方式，直接將設(shè)備文件/dev/video0映射到內(nèi)存，加速文件I/O操作，還可以使多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)。剩下的還有設(shè)備

7、初始化、參數(shù)設(shè)備等相關(guān)函數(shù)，不再詳述。2.3 視頻壓縮編碼模塊獲取圖像數(shù)據(jù)后，可以直接輸出到FrameBuffer進(jìn)行顯示，由于本系統(tǒng)要將采集到的視頻影響通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，所以在傳輸之前要對(duì)原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，在此選用MPEG-4視頻編解碼方案。和其他標(biāo)準(zhǔn)相比，MPEG-4壓縮比更高，節(jié)省存儲(chǔ)空間，圖像質(zhì)量更好，特別適合在低帶寬條件下傳輸視頻，并能保持圖像的質(zhì)量。MPEG-4中基于對(duì)象的視頻編碼過程可以分為3步進(jìn)行：(1)從原始視頻流中分割視頻對(duì)象。(2)對(duì)視頻對(duì)象進(jìn)行編碼，對(duì)不同視頻對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息、形狀信息、紋理信息分配不同的碼字。對(duì)輸入的任意形狀的VOP序列，用基于塊的混合編碼技術(shù)

8、編碼，處理順序是先IVOP后PVOP，BVOP。在對(duì)VOP的形狀信息編碼后，取得任意形狀VOP的采樣，每個(gè)VOP劃分為不相交的宏塊，每個(gè)宏塊含有4個(gè)88象素塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以及紋理編碼，已編碼的VOP幀保存在幀存中，在當(dāng)前VOP幀和已編碼VOP幀之間的計(jì)算運(yùn)動(dòng)矢量;對(duì)將編碼的塊和宏塊，計(jì)算他們的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)誤差;運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)后的IVOP及誤差用88塊DCT變換，并進(jìn)行DCT系數(shù)的量化，然后是游程編碼和熵編碼。(3)對(duì)各個(gè)視頻對(duì)象的碼流進(jìn)行復(fù)合，每個(gè)視頻對(duì)象的形狀、運(yùn)動(dòng)紋理信息復(fù)合成VOL比特流，各視頻對(duì)象視頻流復(fù)合成統(tǒng)一的碼流輸出。對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮編碼以后，接下來就要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的功能。2.

9、4 JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊流媒體指的是在網(wǎng)絡(luò)中使用流技術(shù)傳輸?shù)倪B續(xù)時(shí)基媒體，RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問題的好辦法，JRTPLIB是一個(gè)面向?qū)ο蟮腞TP庫，他完全遵循RFC1889設(shè)計(jì)，下面講述如何在Linux平臺(tái)上運(yùn)用RTP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程。2.4.1 初始化在使用JRTPLIB進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)傳輸之前，首先應(yīng)該生成RTPSession類的一個(gè)實(shí)例來表示此次RTP會(huì)話，然后調(diào)用Create()方法來對(duì)其進(jìn)行初始化操作。RTPSession類的Create()方法只有一個(gè)參數(shù)，用來指明此次RTP會(huì)話所采用的端口號(hào)。2.4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送當(dāng)RTP會(huì)話成功建立起來之后，接下來就可以開

10、始進(jìn)行流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸了。首先需要設(shè)置好數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)地址，RTP協(xié)議允許同一會(huì)話存在多個(gè)目標(biāo)地址，這可以通過調(diào)用RTPSession類的AddDestination()、DeleteDestination()和ClearDestinations()方法來完成。目標(biāo)地址全部指定之后，接著就可以調(diào)用RTPSession類的SendPacket()方法，向所有的目標(biāo)地址發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)。2.4.3 數(shù)據(jù)接收對(duì)于流媒體數(shù)據(jù)的接收端，首先需要調(diào)用PollData()方法來接收發(fā)送過來的RTP或者RTCP數(shù)據(jù)報(bào)。由于同一個(gè)RTP會(huì)話中允許有多個(gè)參與者(源)，因此既可以通過調(diào)用GotoFirstSour

11、ce()和GotoNextSource()方法來遍歷所有的源，也可以通過調(diào)用GotoFisstSourceWithDat()和GotoNextSourceWithData()方法來遍歷那些攜帶有數(shù)據(jù)的源。在從RTP會(huì)話中檢測(cè)出有效的數(shù)據(jù)源之后，接下去就可以調(diào)用RTPSession類的GetNextPacket()方法從中抽取RTP數(shù)據(jù)報(bào)，當(dāng)接收到的RTP數(shù)據(jù)報(bào)處理完之后，要及時(shí)釋放。JRTPLIB為RTP數(shù)據(jù)報(bào)定義了3種接收模塊，通過調(diào)用RTPSession類的SetReceiveMode()方法可以設(shè)置下列這些接收模式：RECEIVEMODE_ALL：缺省的接收模式，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都

12、將被接受;RECEIVEMODE_IGNORESOME：除了某些特定的發(fā)送者之外，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都將被接受，而被拒絕的發(fā)送者列表可以通過調(diào)用AddToIgnoreList()，DeleteFromIgnoreList()和ClearIgnoreList()方法來進(jìn)行設(shè)置;RECEIVEMODE_ACCEPTSOME：除了某些特定的發(fā)送者之外，所有到達(dá)的RTP數(shù)據(jù)報(bào)都將被拒絕，而被接受的發(fā)送者列表可以通過調(diào)用AddToAcceptList()，DeleteFromAcceptList和ClearAcceptList()方法來進(jìn)行設(shè)置。2.4.4 控制信息JRTPLIB是一個(gè)高度封裝后的RTP庫，只要PollData()或者SendPacket()方法被成功調(diào)用，JRTPLIB就能夠自動(dòng)對(duì)達(dá)到的RTCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理，并且還會(huì)需在要的時(shí)候發(fā)送RTCP數(shù)據(jù)報(bào)，從而能夠確保整個(gè)RTP會(huì)話過程的正確性。在本系統(tǒng)中，使用RTPSession JRTPLIB類庫提供的方法來實(shí)現(xiàn)底層的RTP/RTCP操作，并且把他封裝在CrtpTransmitter類中，該